海上風電場址淺地層剖面信息采集及關(guān)鍵處理技術(shù)

海上風能是一種清潔的可再生能源，是當今發(fā)展最快的綠色能源之一。中國海上風能資源豐富，可開發(fā)風能資源約7．5億kw，是陸上風能資源的3倍，且靠近沿海城市負荷中心，發(fā)展海上風電將是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐。風電場建設(shè)的制約因素有多種，其中要求場址區(qū)具備良好的地質(zhì)環(huán)境，且需要面對風機建成后樁基附近普遍存在的海床沖刷問題。因此，建設(shè)前需對海上風電場址進行勘察，淺地層剖面調(diào)查作為勘察的重要手段，在探查海底地層結(jié)構(gòu)、基巖埋深，進而評價海底地質(zhì)條件及確定樁基礎(chǔ)類型等工作中具有重要意義。

海上天然氣田剖面作業(yè)示意圖，來自新華網(wǎng)

當前淺地層剖面探測系統(tǒng)種類較多，震源各有不同，如電火花、壓電陶瓷聲學(xué)釋放器、參量陣、標準化震源等，不同震源類型獲得的剖面效果及分辨率不同，其中電火花震源因其較高的分辨率和良好的穿透性，被廣泛應(yīng)用于海上風電場場址剖面調(diào)查中，本文主要討論電火花剖面系統(tǒng)在海上風電場中信息采集與處理方法及應(yīng)用，文中淺地層剖面資料取自渤海及北部灣等風電場勘察中獲取的數(shù)據(jù)。

一、剖面信息的采集

⒈剖面信息采集原理

淺地層剖面調(diào)查設(shè)備通常由震源系統(tǒng)、聲信號接收器、甲板控制單元及信號采集系統(tǒng)組成。工作時，震源激發(fā)后，聲波在不同介質(zhì)（如泥、砂等）的波阻抗界面發(fā)生反射、透射，直至信號逐漸衰減并消失。聲信號接收器通過接收反射波信號傳回時間、振幅及頻率等信息，并將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至信號采集系統(tǒng)，獲得最終的淺地層剖面的信息資料。

通常把海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)看作一個層狀的模型（圖1－a），聲波在其介質(zhì)中的速度、衰減特征、振幅強度等要素與沉積物性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。在通過波阻抗界面時，其反射振幅及反射強度系數(shù)如下

Ar＝R×Ai，⑴

R＝（ρ2v2－ρ1v1）/(ρ2v2＋ρ1v1)，⑵

式中：Ar為反射振幅；Ai為入射振幅；R為波阻抗界面反射系數(shù)；ρ1、v1、ρ2、v2分別為上、下層介質(zhì)的平均密度及聲波在介質(zhì)中的傳播速度。其中平均密度與波速的乘積為波阻抗值，由式中可見波阻抗差值越大，界面反射系數(shù)越大，反射振幅（即能量）越強。

⒉剖面信息的采集

多電極電火花震源是最早應(yīng)用于海洋地層剖面探測的非炸藥類震源，數(shù)據(jù)采集時，一般采用后拖的方式進行，電火花震源及水聽器分別位于調(diào)查船尾兩側(cè)，以避開船舶螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的尾流的影響。進行探測前一般需要進行能量測試，在同一測線上，根據(jù)地質(zhì)情況、探測深度等實際因素，采用不同的能量參數(shù)進行信息的采集，通過對均一性、穿透能力及圖像分辨率等方面特征進行比較，選擇圖像效果最佳的能量值。圖1－b為在同一測線分別采用300J、500J及700J能量進行測試獲得剖面圖像。風電場剖面調(diào)查一般要求探測到泥面以下約100m或到基巖頂界面為止。電火花系統(tǒng)的工作原理如圖1－a所示。

圖1電火花剖面系統(tǒng)工作原理及不同能量比對示意圖

⒊信息采集的干擾因素

在海上風電場剖面信息采集中，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有多種，主要包括海況、采集方法、地質(zhì)及地形變化因素等。在剖面上則表現(xiàn)為高頻雜亂信號干擾、多路徑虛反射、多次波等。分別表述如下：

⑴海況引起的信號干擾。在儀器正常的情況下，海況是影響剖面質(zhì)量的主要因素，因電火花震源及水聽器均通過軟連接后拖于船尾，海況較差時，起伏的涌浪會使電火花震源和水聽器的相對位置發(fā)生空間上不規(guī)律的變化，造成剖面海底地形的起伏變化，同時攪動的海浪對聲學(xué)信號的發(fā)射及接受亦會產(chǎn)生不良影響，在子波全范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的高頻干擾，在削弱有效信號的同時會增加干擾信號（如圖2－a）。

圖2 多路徑虛反射效應(yīng)及其表現(xiàn)

⑵多路徑虛反射。在地震波數(shù)據(jù)接收的過程中，因水聽器自重的原因，檢波器接收段一般會入水一定深度，因海面水體與空氣間較為明顯的波阻抗面，水聽器在收到一次波時的同時，會收到經(jīng)過水面的反射形成虛反射（亦稱鬼波）。虛反射限制了有效頻帶的寬度，對緊鄰的有效信號形成遮蓋（如圖2－b）。在現(xiàn)場工作中一般將水聽器前方線纜包裹住一定量的泡沫等起浮物，從而確保水聽器漂浮于海面，有效地壓制鬼波的形成。或采用上下纜法，在不同深度同時進行信號采集，獲得兩組剖面信息，再通過后處理對鬼波進行消除，獲得有效波信號。

⑶多次波干擾。在風電場所在的淺水區(qū)，因海底及水面為強聲阻抗界面，通常伴隨有周期性的強振幅多次波反射（如圖2－c），對數(shù)據(jù)解譯帶來嚴重干擾，一般通過數(shù)據(jù)后處理加以解決。

二、剖面特征分析及處理策略

⒈數(shù)據(jù)基本特征分析

在數(shù)據(jù)處理之前，需要對數(shù)據(jù)總體特征進行相應(yīng)的分析和判斷，本次研究區(qū)域大部分為砂質(zhì)海底，地質(zhì)條件一般，采集質(zhì)量整體一般，主要數(shù)據(jù)特征包括以下幾個方面：

⑴風浪等外部環(huán)境對資料的影響分析。在本風電場區(qū)域風浪噪音干擾嚴重，如圖3－a中剖面深部區(qū)域可以看到明顯的風浪噪音，海況差時對有效信號干擾較強。這類噪音能量強，幾乎是全頻帶分布，而且出現(xiàn)具有隨機性。

⑵區(qū)域地形地貌對資料的影響分析。通常在水深較淺區(qū)域，由于儀器設(shè)備的緣故，子波震蕩較長，直達波與海底很難分清楚，海底識別較難，如本區(qū)域剖面圖3－b所示。

⑶由于水深較淺且底質(zhì)較硬，數(shù)據(jù)中多次波非常發(fā)育。在工區(qū)主要發(fā)育海底的一階多次波（圖3－c）。這種多次波主要是由于海底的一次反射造成的，其能量較強，且與有效波相疊加，因此在保護有效信號的基礎(chǔ)上如何去除多次波是淺剖數(shù)據(jù)處理的難點。

圖3 剖面資料受海浪、地形及不良地質(zhì)影響

⒉數(shù)據(jù)處理的基本策略

地震剖面根據(jù)采集設(shè)備、采集所處的天氣及地質(zhì)地貌環(huán)境的不同而有不同的特點，因而采用的處理策略亦會有所不同。如從本研究區(qū)域地震剖面面貌上看，本區(qū)數(shù)據(jù)可以分為兩類，一類剖面表現(xiàn)為子波無氣泡震蕩，無虛反射，淺層分辨率高，但是穿透弱；另一類特點為子波包含氣泡震蕩和虛反射，淺層分辨率低，但是穿透強。通過進行相應(yīng)處理，發(fā)現(xiàn)消除子波氣泡和虛反射后，雖然部分剖面淺層分辨率得到極大提升，但是對于剖面的前積地層及古河道中較弱的反射也會衰減，同時在分辨率提高的同時，降低了剖面的信噪比。由于本區(qū)地震剖面大部分底質(zhì)為砂質(zhì)底，剖面本身的信噪比不高，因此處理時不再對子波進行進一步處理。

處理的重點工作主要是噪音和多次波的去除工作。在近海淺水風電場，往往伴隨海底崎嶇和較淺的海底，海底反射不清楚，且海底能量差異太大，造成很難進行數(shù)字化海底識別，此時一般結(jié)合同步探測的地形資料進行海底識別工作。對于多次波的處理，通過多年經(jīng)驗的積累，目前已經(jīng)探索出一套適合淺剖的多次波處理技術(shù)，然而由于本地區(qū)海底崎嶇，子波復(fù)雜，多次波類型多樣，處理時各項參數(shù)需根據(jù)實際地形、地質(zhì)情況及每條測線不同的特點做針對性的改進，以獲得最佳多次波去除效果。

三、剖面處理關(guān)鍵技術(shù)在海上風電場

勘察中的應(yīng)用

受外業(yè)資料采集干擾因素的影響，當外業(yè)采集資料效果不佳時，剖面信息不可避免地需要進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，以下內(nèi)容應(yīng)用異常振幅去除、多次波壓制等剖面處理關(guān)鍵技術(shù)，對北部灣及渤海等風電場剖面信息進行了處理，并取得了良好的效果。

⒈異常大值的去除

異常大值在淺剖中并不常見，在渤海某風電場區(qū)域中部分測線中較明顯，推測可能跟儀器靜電釋放不佳相關(guān)，在淺地層剖面上表現(xiàn)為瞬時異常值，在密度剖面上表現(xiàn)為一個奇異值點，通過對地震子波的幅值進行統(tǒng)計分析，篩選并去除異常大值即可有效消除這種干擾。去除效果如圖4所示。

圖4 異常大值去除前后剖面圖像

⒉涌浪校正

當海況較差時，由于海浪的起伏較大，造成不同震源和檢波器無法保持在同一水平面上，且海浪的不斷變化，使得兩者之間的高度不斷變化，這樣使得采集的不同炮點之間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)上下跳動的現(xiàn)象，即有一種“毛刺”感。實際上，這種炮點與檢波點存在高度差的現(xiàn)象普遍存在于山地采集過程中，在渤海某風電場剖面數(shù)據(jù)處理中也采用類似于山地靜校正的方法，數(shù)據(jù)處理前后的剖面對比如圖5所示。

圖5 涌浪校正前后剖面對比

可以看到靜校正前后“毛刺”現(xiàn)象消失，剖面同相軸連續(xù)性增強，信噪比提高。靜校正的關(guān)鍵在于海底的平滑因子，平滑因子越小，海底越不光滑，但是對于起伏海底的形態(tài)保持較好。而當平滑因子越大，則海底越光滑，但是對比海底形態(tài)的保持越差。在實際的工作中，應(yīng)根據(jù)受海浪影響程度和當?shù)氐匦巫兓闆r采用合適的平滑因子，在去除涌浪影響和海底形態(tài)保持中取得一種較好的折中。

⒊異常振幅去除

當風浪較大時，易造成電纜接收到較嚴重的噪音，由于其能量較強，可以根據(jù)其能量大于有效信號能量的方法進行去除，即采用分頻分時振幅衰減方法（AAA）來進行壓制，該方法是將數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域，應(yīng)用中值濾波來壓制異常振幅，設(shè)定門檻值，在一定的時窗內(nèi)與振幅中值差異較大的振幅，對其衰減或用相鄰道插值，去噪效果如圖6所示?？梢钥吹綁褐魄捌拭嫔嫌忻黠@的振幅異常，剖面上似被豎條分割，異常振幅壓制后的地震剖面，豎條帶現(xiàn)象消失，異常振幅得到了較好的壓制。異常振幅噪音壓制中，中值寬度是非常重要的參數(shù)，中值寬度越大，則去噪越強，但是對于傾斜構(gòu)造和孤立地質(zhì)體的傷害也在加大，在處理中以能基本消除較強的風浪噪音為限，一般選擇合適的中值寬度，基本可以滿足測線處理的要求。

圖6 異常振幅噪音去除前后剖面對比

⒋多次波的壓制

海底多次波是地層剖面探測中經(jīng)常出現(xiàn)的一類干擾波。由于與多次波伴隨的隨機噪音發(fā)育比較嚴重，去除多次波時，首先要對隨機噪音進行衰減。這種隨機噪音為高頻噪音、無連續(xù)性，自適應(yīng)相減無法去除，且由于其能量較強，容易掩蓋多次波，造成自適應(yīng)相減時無法判斷去除效果的好壞，因此首先要將隨機噪音進行衰減。對于多次波去除主要采用零炮檢距的多次波去除方法，該方法從數(shù)據(jù)本身的靜態(tài)漂移或自相關(guān)得到多次波模型，運用自適應(yīng)算法，將多次波模型從原始波場中減去，能夠有效地壓制多次波，同時不會影響與多次波交叉的有效波。

對于具體的處理，涉及海底底質(zhì)不同，海底地形變化較大，參數(shù)一般無法做到統(tǒng)一，只能根據(jù)測線的情做相應(yīng)的調(diào)整。對于海底崎嶇，且水深較深，多次波發(fā)育明顯，在處理時需要選擇具有針對性的參數(shù)，在北部灣海域某風電場勘察中，剖面信息處理效果如圖7所示。

圖7 水深較深區(qū)域多次波去除前后效果圖

四、結(jié)論

本文通過對海上風電場地層剖面調(diào)查外業(yè)數(shù)據(jù)采集及剖面信息處理過程關(guān)鍵技術(shù)方法的分析及研究，得出以下結(jié)論：

⑴海況、采集方法、地形地貌及儀器狀態(tài)是影響外業(yè)剖面信息質(zhì)量的關(guān)鍵因素，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時應(yīng)從這幾個方面加以控制。

⑵通過異常振幅去除、涌浪改正、多次波壓制等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可達到去除干擾波、地質(zhì)假象，還原海底以下真實地層信息的要求，大幅提高淺地層剖面的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對于在淺水區(qū)剖面信息采集及數(shù)據(jù)處理的思考：對水深很淺的區(qū)域，受直達波及聲波傳播路徑的影響，基本無法區(qū)分海底面，后期處理難度很大，這時應(yīng)結(jié)合使用單波束測深儀進行海底位置的判別，同時考慮使用其他類型的淺地層剖面系統(tǒng)，如固定安裝的參量陣或壓電陶瓷類型的淺地層剖面儀，可有效地分辨海底面并對淺部地層進行較高分辨率的探測。在海上風電場淺地層剖面探測的過程中，綜合使用多種淺剖設(shè)備進行探測的方法，進行更為精細化的探測已較為普遍。